杜靜，趙溫濤，馮霞，馬驍飛

天津大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，化學(xué)化工國家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，化學(xué)化工國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，天津 300072

信息技術(shù)的發(fā)展以及5G技術(shù)的成熟，推動(dòng)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的發(fā)展，特別是由于2020年初爆發(fā)的新型冠狀病毒肺炎疫情，大多數(shù)高校無法正常按時(shí)開課，促使理論課程有多種成熟線上課程平臺(tái)，而實(shí)驗(yàn)課則沒有一個(gè)較為成熟可用的平臺(tái)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源便成為教師授課、學(xué)生學(xué)習(xí)的有效途徑之一[1,2]。目前，各高校根據(jù)自身學(xué)科建設(shè)需求建立了很多有特色的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源[3–5]，在實(shí)際教學(xué)中虛擬仿真資源或作為輔助教學(xué)的一種手段，或成為原有實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的一部分，而隨著虛擬仿真資源建設(shè)的不斷增加，以及對(duì)資源共享化、系統(tǒng)化的要求不斷提高，建立系統(tǒng)化、模塊化、綜合化、共享化的虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)成為未來虛擬仿真教學(xué)發(fā)展方向之一[6,7]。

依據(jù)教育部有關(guān)推進(jìn)國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的相關(guān)文件精神和國家“金課”的標(biāo)準(zhǔn)[8,9]，完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)已成為當(dāng)務(wù)之急[10–12]。

化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)中大都存在“高危、高壓、易燃易爆易致毒”等危險(xiǎn)，安全方面學(xué)生大都只能通過文字介紹和觀看視頻等方式學(xué)習(xí)，直接導(dǎo)致學(xué)生的化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)薄弱，應(yīng)急處理能力不足[13–15]。目前大多數(shù)高校以化工單元虛擬仿真實(shí)驗(yàn)為主，以彌補(bǔ)學(xué)生無法到化工廠進(jìn)行實(shí)習(xí)的缺憾，而化學(xué)類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)涉及的較少，且現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)大都比較零碎，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容無法與理論知識(shí)相對(duì)應(yīng)，難以形成一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

為解決上述問題，天津大學(xué)化學(xué)化工國家級(jí)虛擬仿真示范中心，經(jīng)過五年的發(fā)展不斷完善虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系及內(nèi)容，其中化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)對(duì)化學(xué)化工實(shí)驗(yàn)資源共享、師生交流、學(xué)習(xí)過程控制都起到重要作用。根據(jù)教學(xué)大綱對(duì)本科教學(xué)的要求，化學(xué)化工虛擬仿真平臺(tái)建設(shè)分別從安全培訓(xùn)、理論學(xué)習(xí)、化學(xué)化工仿真單元、評(píng)價(jià)與互動(dòng)等方面進(jìn)行開展，系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的仿真操作能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、自主研究能力。虛擬仿真平臺(tái)的仿真資源內(nèi)容上緊跟先進(jìn)科研前沿，形式上符合學(xué)生興趣愛好，以 3D卡通形象為主并輔以形象生動(dòng)的文字，以多種形式的互動(dòng)完成教育任務(wù)，全面分析教學(xué)過程，細(xì)化評(píng)價(jià)體系，通過該平臺(tái)形成較為完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

化學(xué)化工學(xué)科發(fā)展對(duì)學(xué)生的知識(shí)和素質(zhì)提出了新要求，高?！靶鹿た啤苯ㄔO(shè)對(duì)人才培養(yǎng)也構(gòu)建了新藍(lán)圖，未來將更加注重對(duì)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)也將從多個(gè)維度拓展對(duì)學(xué)生知識(shí)、素質(zhì)、能力的培養(yǎng)，使學(xué)生獲得更全面的訓(xùn)練和提升。天津大學(xué)化學(xué)化工國家級(jí)虛擬仿真示范中心，以科研輔助教學(xué)、教學(xué)孵化科研、實(shí)踐冶煉教學(xué)為特色不斷完善教學(xué)體系，具體表現(xiàn)為：從科研成果中選取適用于教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，從多年教學(xué)經(jīng)驗(yàn)中總結(jié)適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方法，從與中石化、中石油等企業(yè)的交流學(xué)習(xí)中得到企業(yè)對(duì)人才培養(yǎng)的需求，根據(jù)需求不斷調(diào)整教學(xué)。

教學(xué)方法根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的難易程度進(jìn)行分類?；净瘜W(xué)單元如萃取、重結(jié)晶、固液分離、pH的測定等，這些基本實(shí)驗(yàn)操作可以由學(xué)生在線上自學(xué)完成，較為復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)根據(jù)對(duì)學(xué)生掌握要求的不同可以采取線上、線下混合式教學(xué)，如圖1所示。

圖1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

線上教學(xué)采用引導(dǎo)式教學(xué)方法，教學(xué)流程為：學(xué)習(xí)安全知識(shí)→問題式引導(dǎo)思考→學(xué)習(xí)相關(guān)理論知識(shí)→學(xué)習(xí)軟件使用手冊→練習(xí)基本實(shí)驗(yàn)→設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)→廢液廢渣處理→科研拓展→完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告→進(jìn)行答疑→實(shí)驗(yàn)測試，這里增加廢液、廢渣的處理，以彌補(bǔ)學(xué)生長期以來對(duì)自己做完實(shí)驗(yàn)后廢液及廢渣如何經(jīng)行處理的空白，符合目前對(duì)綠色化學(xué)的要求，經(jīng)過這一學(xué)習(xí)過程學(xué)生將形成良好的習(xí)慣，提高解決復(fù)雜問題的能力。

線下教學(xué)主要是針對(duì)化學(xué)化工專業(yè)的學(xué)生，雖然實(shí)驗(yàn)課涉及的知識(shí)大多數(shù)情況是驗(yàn)證理論課已經(jīng)講過的知識(shí)，但是針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容仍然需要再次進(jìn)行引導(dǎo)學(xué)習(xí)，以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)以及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的理解，主要是在仿真實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行講解，同時(shí)針對(duì)化學(xué)化工類學(xué)生開設(shè)的虛仿實(shí)驗(yàn)大都較為復(fù)雜，需要介紹一些設(shè)備的使用方法如高壓釜、氣瓶、閥體等，如何進(jìn)行計(jì)算機(jī)操作，以及實(shí)驗(yàn)流程的簡單介紹。對(duì)于化工類實(shí)驗(yàn)如精餾塔單元、吸收解析單元、固定床單元等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，以獨(dú)立或合作形式進(jìn)行，包括設(shè)備開車、調(diào)節(jié)、分散控制系統(tǒng)(DCS)、各工段整合、故障排查等一整套化工生產(chǎn)操作的仿真[16]，在形象、直觀的仿真操作過程中有效加強(qiáng)對(duì)化工生產(chǎn)過程中倉儲(chǔ)、輸送、反應(yīng)、分離、控制等必要知識(shí)的掌握和理解，并要求學(xué)生提交工藝流程圖。

2 平臺(tái)搭建

2.1 化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是根據(jù)目前教師與學(xué)生的需求形成的集合虛擬仿真資源、多種學(xué)習(xí)資源、師生互動(dòng)的集約化平臺(tái)，平臺(tái)主要通過服務(wù)器向全社會(huì)開放，如圖2所示為平臺(tái)架構(gòu)圖。登陸實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的角色分別有管理員、教師、學(xué)生。管理員的主要任務(wù)是上傳虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源以及相關(guān)教學(xué)資源，進(jìn)行后臺(tái)管理，時(shí)刻檢測平臺(tái)是否受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，保證平臺(tái)安全平穩(wěn)的運(yùn)行，修改網(wǎng)站等。教師能夠在平臺(tái)上組建班級(jí)，上傳課件、發(fā)放試卷、發(fā)放通知公告、答疑、查看學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度、學(xué)習(xí)時(shí)長以及實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，將學(xué)生進(jìn)行分組發(fā)放不同實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)不同專業(yè)學(xué)生能夠做到實(shí)驗(yàn)的“私人定制”。學(xué)生能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行學(xué)習(xí)，根據(jù)興趣選做實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，在平臺(tái)上查看自動(dòng)生成的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，查看每一步得分情況，也可以向老師提問并查看班級(jí)通知公告等。

圖2 化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)架構(gòu)圖

2.2 化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的內(nèi)容與教學(xué)體系是相一致的，根據(jù)教學(xué)體系需要建立了不同模塊，如圖3所示，為化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)首頁，主要有知識(shí)點(diǎn)模塊、理論學(xué)習(xí)以及仿真學(xué)習(xí)三個(gè)部分，通過掃描圖中二維碼能夠在手機(jī)等移動(dòng)端進(jìn)行知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)、完成課堂測驗(yàn)以及答疑的功能。導(dǎo)航部分為資源管理、通知公告、機(jī)構(gòu)管理、學(xué)習(xí)記錄、學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)、綜合統(tǒng)計(jì)。如圖4所示為實(shí)驗(yàn)安全知識(shí)點(diǎn)模塊，包括基本安全知識(shí)、個(gè)人安全防護(hù)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室常用設(shè)備的使用、實(shí)驗(yàn)室廢棄物品的處理等，目前仍在更新安全知識(shí)的內(nèi)容，使之更加完善。

圖3 化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)首頁

圖4 安全知識(shí)

3 虛擬仿真資源

3.1 虛擬仿真資源建設(shè)

為積極響應(yīng)教育部《關(guān)于2017–2020年開展示范性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)的通知》(教高廳[2017] 4號(hào))[17]和教育部《關(guān)于開展國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目建設(shè)工作的通知》(教高函[2018] 5號(hào))[18]，天津大學(xué)化學(xué)化工國家級(jí)虛擬仿真中心于2018年新增加“綠色合成香豆素衍生物的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，2019年新增“加壓氫化反應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”，目前該實(shí)驗(yàn)為市級(jí)虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目，正在參評(píng)國家級(jí)虛擬仿真項(xiàng)目，2019年“化學(xué)化工國家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心開放性平臺(tái)建設(shè)”校級(jí)教改立項(xiàng)，同時(shí)于2018年6月邀請(qǐng)其他高校專家加入教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)，指導(dǎo)中心工作，并多次召開會(huì)議組織選題，建設(shè)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源

結(jié)合中心教師多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)驗(yàn)以及本?；瘜W(xué)化工實(shí)驗(yàn)特色，與軟件公司合作開發(fā)多項(xiàng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上，首先該實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法要有實(shí)用性，如：3D精餾塔單元、加壓氫化反應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、固定床單元等，這些在石油化工、精細(xì)化工、有機(jī)及藥物合成、高分子化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。其次在多種實(shí)驗(yàn)方法中選取反應(yīng)收率高、原子經(jīng)濟(jì)性高、污染少、滿足綠色化學(xué)要求的實(shí)驗(yàn)方法。第三，需要滿足教育部對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的要求“能實(shí)不虛”，如：綠色合成香豆素衍生物實(shí)驗(yàn)因其實(shí)驗(yàn)周期長難以在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中開展，大型和貴重儀器做成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生能夠完全透視儀器結(jié)構(gòu)、拆卸儀器，不必?fù)?dān)心昂貴的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用。第四，將國家先進(jìn)技術(shù)有特色的代表性實(shí)驗(yàn)，以及一些大型、綜合、全方位鍛煉學(xué)生綜合能力的實(shí)驗(yàn)作為虛擬仿真資源建設(shè)的重點(diǎn)，如加壓氫化虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是基于三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者 Paul Sabatier、Geoffrey Wilkinson、Ryōji Noyori (野依良治)的工作，具有典型性。

如表1所示，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照學(xué)科分類進(jìn)行劃分，目前共59項(xiàng)項(xiàng)目，其中化學(xué)單元實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較為簡單，主要是針對(duì)學(xué)生預(yù)習(xí)以及初步學(xué)習(xí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的社會(huì)人員，同時(shí)為應(yīng)對(duì)如本次疫情在內(nèi)的無法開課的突發(fā)情況，其他實(shí)驗(yàn)資源均用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教育，同時(shí)實(shí)驗(yàn)資源將隨各個(gè)學(xué)科建設(shè)不斷更新與完善。

表1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.3 虛擬仿真資源特點(diǎn)

虛擬仿真中心虛擬資源在形式上具有單人、多人不同角色的操作模式，并多使用形象生動(dòng)的卡通形象，讓實(shí)驗(yàn)過程變得生動(dòng)起來。在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中往往只能設(shè)定好實(shí)驗(yàn)條件，讓學(xué)生們重復(fù)實(shí)驗(yàn)過程，這樣限制了學(xué)生們的自主性，為此設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容時(shí)選用多種實(shí)驗(yàn)條件供學(xué)生們選擇，如催化氫化光學(xué)活性N-乙酰苯丙氨酸乙酯實(shí)驗(yàn)，可以從催化劑濃度、反應(yīng)原料濃度、氫氣壓力、乙酸配體濃度、反應(yīng)時(shí)間這五個(gè)影響因素中任選其一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在評(píng)價(jià)系統(tǒng)上，傳統(tǒng)教學(xué)對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程很難給出分?jǐn)?shù)，大多通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的好壞判定整個(gè)實(shí)驗(yàn)做的是否成功，這樣評(píng)定的結(jié)果有一定的不準(zhǔn)確性，故在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)要求將實(shí)驗(yàn)成績隨時(shí)顯示在頁面頂部，方便學(xué)生時(shí)刻判斷自己的操作是否正確，自動(dòng)生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)步驟中錯(cuò)誤的部分在最終實(shí)驗(yàn)報(bào)告中體現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程系統(tǒng)化、清晰化。

4 化學(xué)化工虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用

化學(xué)化工虛擬仿真平臺(tái)網(wǎng)址為：http：//ccelab.tju.edu.cn/sas。根據(jù)后臺(tái)數(shù)據(jù)顯示，已有 48250人次使用過該平臺(tái)學(xué)習(xí)。本校師生已連續(xù)三年使用該平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，前兩年由于硬件條件如服務(wù)器、機(jī)房等不夠完善，主要由應(yīng)用化學(xué)專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)使用化工類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，解決化工廠禁止學(xué)習(xí)參觀實(shí)習(xí)的問題，通過高度還原的仿真場景(仿真度 90%)，熟悉了化工生產(chǎn)流程，并能準(zhǔn)確繪制出生產(chǎn)工藝流程，2019年開始硬件設(shè)備逐步完善，涉化專業(yè)共21個(gè)班級(jí)1583人在線使用仿真軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均能在后臺(tái)記錄統(tǒng)計(jì)，為教師修改教學(xué)環(huán)節(jié)提供了科學(xué)的數(shù)據(jù)支撐，如通過數(shù)據(jù)分析學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作類實(shí)驗(yàn)成績平均84分，低于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)類實(shí)驗(yàn)91分，故在今后的教學(xué)中將加重操作型實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練。

根據(jù)隨堂詢問學(xué)生對(duì)該平臺(tái)的評(píng)價(jià)，及在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中評(píng)價(jià)模塊的留言(圖5)，可以得出以下結(jié)論：學(xué)生對(duì)于虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)形式積極性較高，對(duì)軟件整體的仿真度以及流暢性評(píng)價(jià)較高，但在實(shí)驗(yàn)操作及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上存在問題，實(shí)驗(yàn)操作上主要是對(duì)于一些需要準(zhǔn)確定位、部件過小、儀器過多的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生存在找不到或難以轉(zhuǎn)換到合適視角的問題，因此在這些實(shí)驗(yàn)步驟上將采取自動(dòng)切換視角的方式進(jìn)行解決，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容上主要是目前的虛擬仿真資源無法滿足學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)探索的需求，在后續(xù)建設(shè)中將征求廣大師生的需求不斷擴(kuò)充仿真資源。

圖5 學(xué)生評(píng)價(jià)

5 結(jié)語

化學(xué)化工虛擬仿真平臺(tái)的建設(shè)為本科教學(xué)提供了更多的可能性，填補(bǔ)了“高危、高壓、易制爆易制毒、高造價(jià)”實(shí)驗(yàn)在本科教學(xué)中的空白，系統(tǒng)地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的高效開展提供了新的思路與方法。但目前仍有以下問題亟需解決：

(1) 師資力量不足。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容隨著學(xué)科發(fā)展不斷豐富，而培訓(xùn)教授及在線服務(wù)人員有限，使得一些虛擬仿真實(shí)驗(yàn)無法在本科教學(xué)中廣泛開展，為此中心將定期開展培訓(xùn)工作，使更多教師及教輔人員學(xué)習(xí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛開展打好基礎(chǔ)；

(2) 建設(shè)模塊化的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行模塊化、可移植化設(shè)計(jì)，構(gòu)建綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，從實(shí)驗(yàn)試劑配制到選擇合適方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到產(chǎn)物，再到化工原料生產(chǎn)加工，最后對(duì)過程中產(chǎn)生的廢液、廢渣進(jìn)行綠色處理，這一綜合型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目將是今后努力的方向；

(3) 擴(kuò)大平臺(tái)受益人群。積極參加全國性虛擬仿真交流討論活動(dòng)，邀請(qǐng)校企同行專家前來參觀指導(dǎo)。讓更多校內(nèi)外師生及社會(huì)人士能夠從中收益，并進(jìn)行積極推廣，輻射全國高校。